В чем разница между LNA и PA?

Создано: 1 Января, 2023
Обновлено: 7 Июля, 2023

Работа с высокочастотными сигналами и выбор компонентов для цепи сигнала достаточно сложна. Усилители являются важной частью цепи сигнала для радиосистем, поскольку они обеспечивают усиление сигнала, необходимое для его доставки к месту назначения. В этих системах обычно встречаются два типа усилителей: усилитель с низким уровнем шума (LNA) и мощный усилитель (PA). Оба типа усилителей выполняют схожую функцию, но на разных участках цепи сигнала.

Различия между компонентами LNA и PA иллюстрируют более фундаментальный аспект выбора усилителя: какой аспект сигнала манипулируется компонентом перед доставкой к нагрузке. В радиосистемах эти усилители будут присутствовать на переднем крае РЧ как часть передачи и приема сигналов, поэтому эти компоненты должны быть выбраны тщательно и должны работать в правильном диапазоне мощности сигнала для достижения наилучших результатов. В этой статье я рассмотрю различия между этими двумя типами компонентов и приведу примеры продвинутых деталей для РЧ систем, работающих во многих диапазонах частот.

Усилители на переднем крае РЧ

На переднем крае РЧ обычно используются LNA и PA соответственно на сторонах приема (RX) и передачи (TX). Это общий случай во многих РЧ системах, требующих беспроводной связи; секции PA и LNA часто встраиваются в процессоры приложений или в высокоинтегрированные РЧ трансиверы. Похожий случай использования встречается в аудио, где мощный усилитель управляет динамиком, а LNA может использоваться на микрофоне для сбора тихих голосов из близлежащей среды.

На изображении ниже показано, где обычно располагаются усилители на переднем крае РЧ и как эти усилители реализованы на сторонах TX и RX цепи сигнала. Такая архитектура TX/RX типична для чипов, имеющих интегрированный блок трансивера, а также для систем, использующих дискретные компоненты, работающие на более высокой мощности. Переключатель на выходе является необязательным и используется для реализации временного разделения каналов (TDD) с одной антенной, так что TX и RX разделены на разные временные окна. Однако это не требуется, и линии RX/TX могут быть напрямую подключены к своим антеннам.

На стороне RX вход LNA напрямую подается на демодулятор/понижающий преобразователь для извлечения данных из принятого модулированного сигнала. LNA обрабатывает только вход, принятый RX антенной, и предназначен для обеспечения только достаточного усиления, чтобы сигнал превысил порог чувствительности приемника. Это эффективно увеличивает дальность приема с помощью лишь небольшого усиления, применяемого в цепи сигнала RX.

На стороне TX мощный усилитель берет выход из стадии модуляции/повышающего преобразования и усиливает его для доставки максимальной мощности к нагрузке. В случае прямого подключения к антенне, мощность, передаваемая антеннам или любым другим компонентам в системе, может требовать согласования с реактивным импедансом. Это потребует согласования сопротивлений с нелинейным компонентом для достижения максимальной передачи мощности, как описано ниже.

Имея это в виду, давайте более подробно рассмотрим каждый тип усилителя.

Мощные Усилители

Цель усилителя мощности очень проста: обеспечить максимальную передачу мощности к нагрузке с минимальным искажением сигнала. С точки зрения уровня сигнала, усилитель мощности должен максимизировать отношение сигнал/шум с точки зрения мощности по сравнению с уровнем шума в полосе пропускания цепи сигнала. Это должно звучать довольно просто и очевидно для функции усилителя, но, как я обсуждал в статьях о других типах усилителей, разные усилители вовлекают разные входные сигналы и будут пытаться адаптироваться к разным типам нагрузок в цепи сигнала.

Для доставки максимальной мощности к нагрузке необходимо согласование по сопротивлению с комплексно-сопряженными значениями в цепи сигнала. Усилители мощности, работающие в диапазоне МГц до ГГц для радиосистем, могут работать с выходным сопротивлением 50 Ом, так что антенна может быть спроектирована с сопротивлением 50 Ом для обеспечения реального согласования сопротивлений. В случае, когда сопротивление антенны реактивно, необходима сеть согласования сопротивлений с пассивными элементами, или необходим трансформатор согласования сопротивлений. Последнее возможно только в физически крупных системах при работе на частотах МГц, но это можно сделать на высоких частотах ГГц без увеличения размера платы.

Другой важный момент о согласовании сопротивлений заключается в том, что простое комплексно-сопряженное согласование на самом деле не обеспечит максимальной передачи мощности на антенну TX в большинстве ситуаций. Это потому, что обычно усилитель мощности работает очень близко к насыщению (вблизи точки сжатия на 1 дБ). В этом состоянии функция передачи усилителя мощности начинает становиться нелинейной, как показано ниже.

В этом состоянии максимальная передача мощности произойдет, когда между усилителем мощности и его нагрузкой останется некоторое очень незначительное несоответствие сопротивлений. Это потому, что максимальное значение передачи мощности будет функцией уровня входной мощности, что требует решения трансцендентного уравнения в задаче оптимизации для определения оптимального согласования сопротивлений. Для определения оптимального несоответствия, обеспечивающего максимальную передачу мощности, может быть использована техника симуляции, называемая анализом нагрузочного отклика.

Примеры усилителей мощности

Усилители мощности доступны в любом из стандартных классов усилителей, и компоненты доступны во многих диапазонах частот, начиная от аудио и заканчивая микроволнами.

Некоторые важные характеристики, используемые для выбора усилителя мощности, включают:

Усиление на требуемой частоте - Значение усиления, указанное в спецификациях усилителя, будет действительно для определенной рабочей частоты или диапазона частот.
Механизм управления - Обычно для высоких частот требуется аналоговое управление, в то время как для низких частот (например, аудио) можно использовать управление ШИМ.
Произведение усиления на полосу пропускания - Общая полоса пропускания будет ограничена по мере увеличения усиления в усилителе. Убедитесь, что вы можете получить необходимое усиление и полосу пропускания с этой спецификацией.
Тепловое сопротивление - Усилители мощности могут нагреваться, поэтому важно обратить внимание на тепловое сопротивление, чтобы получить приблизительную оценку рабочей температуры компонента.
1 дБ Компрессия и точки 3OIP - Первое значение указывает, когда усилитель начинает насыщаться, в то время как второе сообщает, когда мощности продуктов третьего порядка интермодуляции равны мощности основного сигнала. Это ограничивает входную мощность, которую вы можете использовать в усилителе.

HMC455LP3 от Analog Devices - это усилитель мощности 2,5 ГГц на основе гетеропереходного биполярного транзистора GaAs-InGaP. Этот усилитель обеспечивает высокую точку 3OIP (см. кривые передаточной функции ниже) с приблизительным усилением 12 дБ при входной мощности до примерно 15 дБм. Этот компонент может быть полезен в системах микроволнового диапазона низких частот, работающих от 1,7 ГГц до 2,5 ГГц.

Для аудиосистем TPA2012D2RTJR от Texas Instruments представляет собой аудиоусилитель класса D, предлагающий выбираемое усиление с выходной мощностью до 2,1 Вт в аудиодиапазоне. Компонент может обеспечивать питание динамиков на 4 Ом или 8 Ом при 5 В или 3,6 В с выбираемым усилением до 24 дБ. Этот компонент поставляется в очень маленьком корпусе BGA, что делает его подходящим для использования в мобильных устройствах, включая телефоны, планшеты и портативные медиаплееры.

Усилители с низким уровнем шума

Усилитель с низким уровнем шума предназначен для усиления напряжения входящего сигнала без значительного усиления сопутствующего шума в системе, тем самым увеличивая значение SNR для сигнала. Эти компоненты должны иметь очень низкий собственный уровень шума, чтобы обеспечить такие характеристики усиления. Они также должны быть способны достаточно отфильтровывать источники шума в своей рабочей полосе пропускания, требуя высокого PSRR и узкой полосы пропускания в их кривой передаточной функции. Наконец, для минимизации искажений при применении высокого усиления, эти компоненты должны обладать высокой линейностью, чтобы предотвратить генерацию гармоник и продуктов интермодуляции.

Для обеспечения очень высокого усиления с минимальным усилением шума одной из важных характеристик является коэффициент шума, или более конкретно соотношение усиления к коэффициенту шума. Некоторые очень чувствительные приложения приемников могут требовать, чтобы эти соотношения находились в диапазоне от 20 до 30 (например, 1 дБ коэффициента шума при усилении от 20 до 30 дБ).

Пример усилителя с низким уровнем шума

Один очень простой пример УНШ - это MBC13720NT1 от NXP Semiconductors. Этот компонент УНШ имеет очень широкий диапазон рабочих частот, охватывающий от 400 МГц до 2,4 ГГц. Этот компонент может обеспечивать выбираемый контролируемый ток до 11 мА с высоким усилением, достигающим 20 дБ на частоте 900 МГц. Коэффициент шума также низкий, со значением соотношения усиления к коэффициенту шума примерно 15. Такой тип компонента будет полезен на стороне приемника модулей радиопередатчиков суб-ГГц, работающих на высокой мощности.

Что еще нужно в вашей цепи сигналов

Из приведенной выше схемы должно быть ясно, что для построения полной цепи сигналов для систем РЧ средней и высокой мощности требуется множество других компонентов. Для приложений уровня потребителя или при работе в Bluetooth WiFi существуют некоторые высокоинтегрированные RF MCU SoCs, которые включают в себя весь передний край, встроенный в компонент. Также существуют беспроводные модули, которые можно выбрать для этих систем, которые будут включать в себя весь передний край чипа. Другие радиодиапазоны, которые не имеют такого же уровня проникновения на рынок, обычно не имеют таких интегрированных решений, и разработчикам придется придерживаться описанного здесь подхода.

Приложение, подобное программно-определяемому радио, любительскому радио или работе в полосе ISM, вероятно, потребует полного построения вашей собственной цепи сигналов исключительно из дискретных компонентов. Некоторые из компонентов, которые вам понадобятся в этом приложении, включают в себя цифровой процессор для управления всей системой, а также каждый из перечисленных выше элементов РЧ. Некоторые из необходимых вам компонентов можно найти в следующих ресурсах:

Дизайнеры, работающие над РЧ-системами с использованием интегрированных или дискретных компонентов, могут получить доступ к данным, аналитике и информации о поставках бесплатно, используя функции поиска на Octopart. Только Octopart предоставляет расширенные функции поиска и фильтрации, чтобы помочь покупателям находить компоненты и получать актуальные данные о ценах дистрибьюторов, наличии на складе и спецификациях деталей. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы найти необходимые компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.